案例：提質(zhì)增效對(duì)污水處理廠的影響分析
全康環(huán)保:近年來(lái)，全國(guó)各地開(kāi)始推進(jìn)污水提質(zhì)增效工作，隨著截污管網(wǎng)不斷完善和污水提質(zhì)增效的落實(shí)，污水處理廠進(jìn)水濃度發(fā)生了較大變化，或許會(huì)對(duì)原工藝造成一定的沖擊。以東莞某5萬(wàn) m3/d的污水處理廠為例，對(duì)提質(zhì)增效后多點(diǎn)進(jìn)水多段AAO-高效沉淀池-濾布濾池工藝對(duì)進(jìn)水濃度提高的耐沖擊能力進(jìn)行分析，以期提出提質(zhì)增效后污水處理廠較合理的應(yīng)對(duì)策略。
01 項(xiàng)目概況
東莞市F污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模5萬(wàn)m3/d，總變化系數(shù)1.38，采用多點(diǎn)進(jìn)水多段AAO-高效沉淀池-濾布濾池-紫外消毒工藝，二期出水標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)及廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《水污染物排放限值》（DB 44/26-2001）中第二時(shí)段一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)兩者中較嚴(yán)值。F污水處理廠所在地區(qū)已基本完成了截污管網(wǎng)及錯(cuò)混接建設(shè)工作，本次研究的核心任務(wù)是分析提質(zhì)增效后進(jìn)水濃度的提高對(duì)污水處理廠一級(jí)處理、生物池、深度處理單元和污泥脫水系統(tǒng)的影響。
02 提質(zhì)增效對(duì)污水處理廠各處理單元的影響
2.1 對(duì)一級(jí)處理單元的影響
粗格柵及進(jìn)水泵房主要去除大的漂浮物及懸浮物，保護(hù)提升泵運(yùn)行不受影響，同時(shí)完成能量提升。細(xì)格柵及旋流沉砂池主要去除更為細(xì)小懸浮物、除砂等作用，為污水進(jìn)入生物池作預(yù)處理。因提質(zhì)增效后進(jìn)水量、水中漂浮物、懸浮物和砂粒等均未發(fā)生明顯變化，故提質(zhì)增效對(duì)一級(jí)處理單元影響較小。
2.2 對(duì)生物池的影響
2.2.1 對(duì) COD和BOD5去除效果分析
F污水處理廠生物池為多點(diǎn)進(jìn)水多段AAO工藝，進(jìn)水分成三部分，第一部分進(jìn)入預(yù)缺氧區(qū)，第二部分進(jìn)入第一缺氧區(qū)、第三部分進(jìn)入第二缺氧區(qū)。水流依次經(jīng)過(guò)預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、第一缺氧區(qū)、第一好氧區(qū)、脫氣區(qū)、第二缺氧區(qū)、第二好氧區(qū)，設(shè)計(jì)進(jìn)、出水濃度如表1所示。設(shè)計(jì)生物池總停留時(shí)間12.48 h，其中預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、第一缺氧區(qū)、第一好氧區(qū)、脫氣區(qū)、第二缺氧區(qū)、第二好氧區(qū)停留時(shí)間分別為0.4 h、1.37 h、2.89 h、5.75 h、0.3 h、0.97 h、 0.8 h，污泥回流比為33%~100%，混合液回流比為100%~300%。
如表1所示，提質(zhì)增效后90%涵蓋率進(jìn)水COD濃度為378 mg/L，超過(guò)設(shè)計(jì)值51.2%，超過(guò)提質(zhì)增效前進(jìn)水濃度46.51%，進(jìn)水BOD5濃度為185 mg/L，超過(guò)設(shè)計(jì)值54.17%，超過(guò)提質(zhì)增效前濃度77.88%，在以上進(jìn)水濃度大幅增加的前提下，污水處理廠出水BOD5和COD均能維持在10 mg/L和40 mg/L以?xún)?nèi)，其平均值分別為1.1 mg/L和20 mg/L，去除率平均值分別為93.2%和99.0%，這說(shuō)明生物池內(nèi)異養(yǎng)菌活性較強(qiáng)，對(duì)于進(jìn)水COD和BOD5負(fù)荷增加有較強(qiáng)適應(yīng)能力（見(jiàn)圖1和圖2）。
分析以上現(xiàn)象主要原因是：多段AAO工藝采用厭氧/缺氧/好氧交替運(yùn)行的模式，活性污泥中各目標(biāo)菌種均處于一個(gè)“舒適”“惡劣”交替的環(huán)境中，這種“飽食饑餓”模式有利于馴化出更高效的目標(biāo)菌種，更高效的活性污泥。
2.2.2 對(duì)脫氮的影響
（1）氨氮氧化。一般認(rèn)為氨氮氧化發(fā)生在好氧池內(nèi)，提質(zhì)增效后進(jìn)水BOD5濃度大幅增加，勢(shì)必導(dǎo)致異養(yǎng)菌大量繁殖，從而導(dǎo)致硝化細(xì)菌（氨氧化菌AOB和亞硝酸鹽氧化菌NOB）同其競(jìng)爭(zhēng)DO過(guò)程中處于不利地位，如圖3所示。當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度由24.2 mg/L提高到32.1 mg/L時(shí)，好氧池DO在0.3~1.5 mg/L，該值小于設(shè)計(jì)值2 mg/L。
有研究表明，異養(yǎng)菌生長(zhǎng)速率大約是自養(yǎng)菌的10倍，DO的不足加之異養(yǎng)好氧菌的大量繁殖，很可能導(dǎo)致出水氨氮不達(dá)標(biāo)。然而，實(shí)際出水氨氮較低，氨氮去除率平均值為98.1%。分析主要有以下兩方面原因：一方面提質(zhì)增效后進(jìn)水氨氮濃度雖大幅提高，但仍在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；另一方面AOB和NOB最適宜的DO分別為0.2~0.4 mg/L和1.2~1.5 mg/L，好氧池內(nèi)DO雖較低，但能滿(mǎn)足AOB和NOB的需求，反而低DO的環(huán)境恰好成為其同異養(yǎng)好氧菌競(jìng)爭(zhēng)的有利條件，因此出水氨氮值均小于1 mg/L，平均值為0.53 mg/L。
（2）TN去除。TN的去除一般認(rèn)為在缺氧池內(nèi)由反硝化細(xì)菌完成，本工程采用多點(diǎn)進(jìn)水多段AAO的工藝，如圖4所示，提質(zhì)增效后進(jìn)水TN濃度從30 mg/L提高到39.9 mg/L，在未投加碳源的情況下，依然能保證出水TN在10 mg/L以?xún)?nèi)，平均值為7.99 mg/L，去除率在76.6%左右。分析主要原因是多段AAO工藝多點(diǎn)進(jìn)水的方式保證了反硝化階段有充足的碳源，同時(shí)本工程提質(zhì)增效后進(jìn)水水質(zhì)COD/ρ(TN)=9.45，BOD5/ρ(TN)=4.63，基本上能滿(mǎn)足脫氮所需，同時(shí)好氧池內(nèi)DO較低，有低于0.5 mg/L情況，推測(cè)可能出現(xiàn)了短程硝化-反硝化的脫氮途徑，該途徑也可解決缺氧池碳源不足的問(wèn)題，對(duì)于該現(xiàn)象有待進(jìn)一步研究。
綜上所述，多點(diǎn)進(jìn)水、多段AAO工藝對(duì)提質(zhì)增效后進(jìn)水氨氮和TN濃度的增加，仍有較好脫氮效果，出水TN和氨氮的平均值分別為7.99 mg/L和0.53 mg/L。
（3）活性污泥性能分析。因進(jìn)水BOD5增加，導(dǎo)致生物池內(nèi)污泥濃度增加，生物池污泥濃度設(shè)計(jì)值為3 500~4 000 mg/L，BOD5污泥負(fù)荷為0.10 kgBOD5/（kgSS?d），提質(zhì)增效后經(jīng)測(cè)定生物池內(nèi)MLSS平均值為4 300 mg/L，BOD5污泥負(fù)荷為0.127 kgBOD5/(kgSS?d)。郝二成等指出低DO、低污泥負(fù)荷容易容易引起污泥膨脹，萬(wàn)玉山等對(duì)蘇南某鎮(zhèn) 1.5萬(wàn)m3/d污水處理廠進(jìn)行研究，當(dāng)生物池污泥負(fù)荷為 0.5 kgCOD/(kgMLSS?d)，DO為1.5 mg/L時(shí)，SVI 值接近300 mL/g，發(fā)生了污泥膨脹。而F污水處理廠生物池采用0.26 kgCOD/(kgMLSS?d)更低的污泥負(fù)荷，好氧池DO更低，約為0.3~1.5 mg/L卻未發(fā)生污泥膨脹，SVI如圖5所示平均值為100.5 mL/g，分析主要是多段AAO工藝厭氧/缺氧/好氧交替運(yùn)行的環(huán)境，有助于對(duì)絲狀菌抑制，能在較低DO、較低污泥負(fù)荷下不引起污泥膨脹。
（4）提質(zhì)增效對(duì)曝氣系統(tǒng)的影響。污水處理廠曝氣能耗占整個(gè)廠區(qū)能耗的比例很大，沈曉鈴等對(duì)2.5萬(wàn)m3/d無(wú)錫市惠山污水處理廠三期工程進(jìn)行分析，結(jié)果表明鼓風(fēng)機(jī)耗電量占全廠電耗的43.39%。對(duì)F污水處理廠而言，若保證2 mg/L 好氧池DO濃度，則提質(zhì)增效前生物池理論需氧量為12 547 kgO2//d，提質(zhì)增效后理論需氧量約為17 441 kgO2//d，原設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)供氧不足，如圖6所示。
然而，在曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力不足的情況下，出水BOD5、COD和氨氮等均穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，在該情況下每年可節(jié)省電能約62.1萬(wàn)kW?h，為污水處理廠節(jié)能降耗提供思路。同時(shí)，隨著對(duì)短程硝化研究的不斷深入，研究者們開(kāi)始對(duì)低DO環(huán)境下的脫氮機(jī)理進(jìn)行逐步探索，而對(duì)真正落地運(yùn)行的低氨氮市政污水處理廠，是否存在一個(gè)DO理論極值，使此時(shí)氨氮、BOD5、COD等既有較好處理效果，又不會(huì)引起污泥膨脹等現(xiàn)象，有待進(jìn)一步研究。
2.3 提質(zhì)增效對(duì)深度處理單元的影響
F污水處理廠深度處理采用高效沉淀池+濾布濾池工藝，高效沉淀池設(shè)計(jì)PAC和PAM投加濃度分別為40 mg/L和1 mg/L，濾布濾池設(shè)計(jì)過(guò)濾精度為10 μm，平均濾速為9.1 m3/(h?m2)。如圖7、圖8所示，提質(zhì)增效后進(jìn)水TP濃度從4.52 mg/L提高到5.17 mg/L，因生物除磷和化學(xué)除磷雙重作用，出水TP濃度均低于0.3 mg/L，平均值為0.17 mg/L。提質(zhì)增效后進(jìn)水SS濃度從192 mg/L增加到205 mg/L，同樣有高效沉淀池和濾布濾池的雙重保障作用，出水SS均小于10 mg/L，平均值為4 mg/L?？梢?jiàn)，對(duì)進(jìn)水SS和TP濃度的小幅增加，高效沉淀池+濾布濾池均能維持穩(wěn)定去除效果。
2.4 提質(zhì)增效對(duì)污泥脫水系統(tǒng)的影響
因進(jìn)水BOD5的增加，導(dǎo)致剩余污泥量增加，提質(zhì)增效前設(shè)計(jì)干泥量為7.82 t/d，采用2臺(tái)板框脫水機(jī)處理。經(jīng)計(jì)算，提質(zhì)增效后干泥量約為10.1 t/d左右，原脫水機(jī)不能滿(mǎn)足需求，應(yīng)對(duì)污泥脫水系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。
03 小結(jié)
提質(zhì)增效后進(jìn)水濃度變化對(duì)一級(jí)處理單元影響較小。
提質(zhì)增效后進(jìn)水氨氮濃度由24.2 mg/L提高到32.1 mg/L，TN濃度由30 mg/L提高到39.9 mg/L，COD由258 mg/L提高到378 mg/L，BOD5由104 mg/L提高到185 mg/L，多點(diǎn)進(jìn)水多段AAO工藝仍能保證氨氮、TN、COD、BOD5等均有較好的處理效果。
好氧池低DO條件下，多點(diǎn)進(jìn)水多段AAO仍能保證出水氨氮和BOD5濃度較低且穩(wěn)定，為污水處理廠節(jié)能降耗提供思路。
提質(zhì)增效后進(jìn)水SS從192 mg/L提高到205 mg/L，TP從4.52 mg/L提高到5.17 mg/L，高效沉淀池+濾布濾池工藝能保證出水TP和SS在 0.17 mg/L和4.0 mg/L左右，有較好的處理效果。
提質(zhì)增效后污泥脫水系統(tǒng)產(chǎn)能相對(duì)不足，需升級(jí)改造。